(57)【要約】【課題】マトリックス金属内に短繊維を３次元的に、均等に分布させることができ、等方性に優れた繊維強化金属基複合材の製造方法と、このような方法により製造された繊維強化金属基複合材を提供する。【解決手段】スチロールなどから成る発泡樹脂粒子１０の表面に金属薄膜１１を被覆したのち、その表面にさらに短繊維１２を機械的に固着させ、金属薄膜１１の上に短繊維１２が固着した状態の上記発泡樹脂粒子１０をそのまま、望ましくは加熱によって上記発泡樹脂を消失させたのち、型Ｃに多数充填し、この型の中に金属溶湯Ｍを流し込み、温度低下により凝固させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発泡樹脂粒子の表面に金属薄膜を被覆する工程と、金属薄膜を備えた発泡樹脂粒子に短繊維を機械的に固着する工程と、短繊維が固着した発泡樹脂粒子を型に充填する工程と、上記発泡樹脂粒子が充填された型内に金属溶湯を流し込み、凝固させる工程を有することを特徴とする繊維強化金属基複合材の製造方法。
【請求項２】
上記短繊維を固着した後、金属溶湯の流し込みに先立って、発泡樹脂の一部又は全部を消失させることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化金属基複合材の製造方法。
【請求項３】
上記短繊維の径が０．１ｍｍ以下、長さが１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の繊維強化金属基複合材の製造方法。
【請求項４】
上記金属薄膜がニッケルであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の繊維強化金属基複合材の製造方法。
【請求項５】
上記金属溶湯がアルミニウム又はアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の繊維強化金属基複合材の製造方法。
【請求項６】
金属薄膜を備えた発泡樹脂粒子に短繊維を固着するに際して、不活性雰囲気中において上記発泡樹脂粒子と短繊維に互いに衝撃力を加えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の繊維強化金属基複合材の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の方法によって製造されたことを特徴とする繊維強化金属基複合材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属マトリックス中に、強化材である短繊維が３次元方向に均一な状態で分布し、方向性のない複合材の製造方法と、このような方法によって製造された繊維強化金属基複合材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来からの鋳造法による繊維強化金属基複合体は、プリフォームと呼ばれる強化繊維をバインダーにより固めた多孔質体にマトリックス金属の溶湯を加圧、吸引、あるいは特殊な方法で浸透、含浸させることにより、一体化して製造するのが一般的である（例えば、特許文献１〜３参照）。
【特許文献１】特開２００４−２５０７５５号公報
【特許文献２】特開２０００−３５５７４４号公報
【特許文献３】特開２０００−３２８２０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、プリフォームに含まれるバインダー成分は、例えばセラミックス成分から成るものであって、一般に硬質である。また、マトリックス金属と反応して、脆弱な生成物を生じる場合もあり、靭性の低下を招くこともないとは言えない。
加えて、プリフォームの成形時に強化繊維材が偏向し、得られた複合材の性質に異方性を生じたりすることもある。さらには、強化繊維間にマトリックス金属を含浸させるために特別な装置を必要とすることから、生産性が低いとか、部品形状にも制約があるという不都合な点が少なくない。
【０００４】
例えば、上記特許文献１及び２の例では、プリフォームを作製する過程で、繊維を分散させたスラリーから分散媒を吸引除去するようにしていることから、強化繊維が等方的に配向しないという難点がある。さらに、無機系バインダーを使用いていることから、靭性にも不安がある。また、特許文献３の例では、プリフォームに無機バインダーを使用することなく、焼成によって強化繊維同士を結合させてプリフォーム形状を維持させているが、焼成に高温、長時間を要するため現実的でない。
そして、マトリックス金属をプリフォーム中に含浸させるために、上記特許文献１では、吸引とガス加圧機構のある装置を使用し、特許文献２においては、高圧のプレス装置が必要となる。
【０００５】
本発明は、従来の繊維強化金属基複合材における上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、マトリックス金属内に短繊維を等方的に分布させることができる金属基複合材の製造方法と、このような製造方法による等方性に優れた繊維強化金属基複合材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、発泡スチロールなどの発泡樹脂から成る粒子に、金属薄膜を被覆し、さらにその上に強化材である短繊維を固着させた粒子を原料として、複合材を作製することにより上記目的が達成されることを見出し本発明を完成するに到った。
【０００７】
本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の繊維強化金属基複合材の製造方法は、発泡樹脂粒子への金属薄膜被覆工程と、短繊維固着工程と、樹脂粒子の型への充填工程と、型への注湯工程を有することを特徴とする。
すなわち、本発明の複合材製造方法においては、発泡樹脂粒子の表面に金属薄膜を被覆したのち、その表面にさらに短繊維を機械的に固着させ、金属薄膜の上に短繊維が固着した状態の上記発泡樹脂粒子を型に充填し、その中に金属溶湯を流し込み、温度低下と共に凝固させるようにしている。
【０００８】
また、本発明の繊維強化金属基複合材は、上記方法によって製造されたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、表面に金属薄膜を有し、さらにその上に短繊維が機械的に固着した状態の発泡樹脂粒子を型に充填し、この型中に金属溶湯を流し込むようにしているので、溶湯の熱によって発泡樹脂粒子が消失した空洞内に金属溶湯が浸透してマトリックスとなり、短繊維と複合化される。
このとき、上記短繊維は、金属薄膜に支持されて発泡樹脂粒子の外殻形状を維持していることから、偏向することなく、マトリックス内に３次元の網目構造を形成した状態に、均一に分布するので、バインダーを用いることなく、等方性に優れた繊維強化金属基複合材を得ることができる。
【００１０】
以下、本発明の繊維強化金属基複合材の製造方法について、さらに詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明の繊維強化金属基複合材の製造工程を示す概略図であって、当該製造方法においては、先ず、図１（ａ）に示すように、例えば、球状の発泡樹脂粒子１０の表面に、金属薄膜１１を被覆し、さらにその表面に短繊維１２を機械的に固着させる。
【００１２】
ここで、発泡樹脂粒子１０としては、代表的には発泡スチロール（ポリスチレン）が用いられるが、特にこれに限定されることはなく、ポリアミド樹脂やポリオレフィン樹脂、架橋アクリル樹脂、メチルメタクリレート樹脂などを使用することができる。
また、発泡樹脂粒子１０の粒径についても、複合材となったときの均質性や取扱いのし易さ等を考慮して適宜決定すればよく、特に限定されないが、概ね０．５〜５ｍｍ程度が適当と考えられる。
【００１３】
上記発泡樹脂粒子１０の表面に被覆されて薄膜１１を形成する金属としては、マトリックスとなる金属中に溶け込んだり、マトリックス金属中に残存して、悪影響を及ぼすものでなければ、とくに限定されず、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）などを挙げることができる。
被覆方法についても、特に限定されず、めっきや金属微紛を高温で吹き付ける方法が用いられる。
【００１４】
なお、上記被覆金属の中では、めっきなどによる薄膜形成が比較的容易であることから、ニッケルを用いることが望ましい。
特に、後述するようにマトリックス金属としてアルミニウムやアルミニウム合金を用いた場合には、溶融金属の注湯によって、アルミニウムがニッケル殻と接触することによって、これらが発熱反応を起こし、溶湯の温度低下を防いで凝固を遅らせることから、短繊維に対する溶湯の濡れを助長し、複合化を確実なものとすることができることからも望ましいと言える。
【００１５】
当該金属薄膜１１の厚さについては、薄過ぎると、後述する短繊維１２の固着時に破損する可能性があり、逆に厚過ぎると、マトリックス金属との複合化の障害となる可能性があることから、概ね２０〜５００μｍ程度が適当である。
【００１６】
短繊維１２については、樹脂や植物繊維のように、金属溶湯の熱によって溶けたり、燃えたりするようなものでなければ、特に限定されず、セラミックス繊維、炭素繊維、金属繊維などを用いることができる。
炭素繊維としては、ＰＡＮ系やピッチ系など、通常の炭素繊維のみならず、フラーレンや、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンナノコイルなどのナノ炭素繊維を用いることができる。これらは、高強度、高弾性というだけでなく、高熱伝導率、低電気抵抗、低熱膨張といった特性を併せ持っていることから、これらの使用が望ましく、機械的性質のみならず、熱的性質にも優れた複合材を得ることができる。
【００１７】
当該短繊維１２の寸法については、発泡樹脂粒子１０の大きさにもよるが、ある程度以下のものであれば強化材として有効に働く。
短繊維の直径としては、０．１ｍｍ以下であることが望ましく、長さは１ｍｍ以下、長さと径の比であるアスペクト比が１０以上であることが好ましいが、長さと径の差が小さく、実質的に粒子状、粉末状のものであっても、特に差支えはない。
【００１８】
上記短繊維１２を発泡樹脂粒子１０の金属薄膜１１上に固着する方法としては、バインダーを用いない機械的な固着方法である限り、種々の方法を採用することができる。
例えば、バインダー成分を添加することなく、短繊維１２を溶媒に分散させて金属薄膜１１で被覆した発泡樹脂粒子１０にコートし、乾燥させる方法を採用することができる。  
【００１９】
しかしながら、上記方法は、密着力が低く歩留まりが低いことから必ずしも好ましくなく、例えば、金属薄膜１１を被覆した発泡樹脂粒子１０と短繊維１２とを不活性雰囲気中で互いに衝撃力を与え、機械的に固着させるようにすることが望ましい。
すなわち、金属薄膜１１を被覆した状態の発泡樹脂粒子１０と、短繊維１２をアルゴンや窒素といった不活性ガスで満たされた密閉容器の中で高速気流にのせて循環させ、相互に衝撃力を作用させることによって、バインダーを用いることなく一体化させることができる。
【００２０】
図２は、その方法及び処理装置の概要を示すもので、例えばアルゴンで満たした容器２１の中で、ブレード２２を備えたロータ２３を高速回転させて高速気流を起こし、図示しない投入口から金属薄膜１１で被覆した発泡樹脂粒子１０と短繊維１２とを投入し、容器２１及び循環経路２４の中を循環させる間に、粒子１０と短繊維１２とが互いに衝突したり、容器２１の内壁やブレード２２と衝突したりすることによって、短繊維１２が発泡樹脂粒子１０の金属薄膜１１上に強固に固着されることになる。
【００２１】
次に、上記によって得られた発泡樹脂粒子１０、すなわち金属薄膜１１を被覆し、さらに短繊維１２を固着した状態の発泡樹脂粒子１０を、図１（ｂ）に示すように、型Ｃ内に多数充填したのち、金属溶湯Ｍを流し込む。
そうすると、溶湯Ｍの熱によって、発泡樹脂粒子１０の樹脂成分が消失し、その空洞内に金属溶湯Ｍが浸透することによって、図１（ｃ）に示すように、マトリックス金属内に短繊維が３次元の網目状に均一に分布した状態の繊維強化金属基複合材１が得られる。
【００２２】
なお、上記したように、金属薄膜１１で被覆され、短繊維１２を固着した発泡樹脂粒子１０をそのまま、型Ｃ内に充填し、注湯する方法では、発泡樹脂の蒸発や燃焼によるガスや、燃焼残滓がマトリック金属内に残存して、種々の悪影響を生じる可能性がないとは言えない。
そこで、溶融金属Ｍの注湯に先だって、金属薄膜１１及び短繊維１２を備えた発泡樹脂粒子１０から樹脂成分を予め除去しておくことが望ましい。
【００２３】
すなわち、金属薄膜１１で被覆し、短繊維１２を固着した発泡樹脂粒子１０を加熱して発泡樹脂の少なくとも一部、好ましくは全部を消失させて空洞化し、結果的に金属から成る球状の中空殻に短繊維１２が固着した状態の粒子とし、これらを型Ｃ内に充填して、溶融金属Ｍを注湯するようになすことが望ましい。
上記金属中空殻は、樹脂が消失したあとがあるので完全な球ではなく、微小な孔が存在するため、溶融金属Ｍを注湯すると殻の弱い部分から溶湯Ｍが浸透し、中空殻の金属と反応しつつ短繊維１２の周囲を囲み凝固して複合材１が形成される。
【００２４】
なお、製品の必要な部位にだけ、短繊維１２が固着した発泡樹脂粒子１０や、金属中空殻から成る集合体をセットして複合化するようにすれば、コスト面でも２次加工の面でもメリットがある。
【００２５】
金属溶湯Ｍ、すなわちマトリックス金属としては、軽量で構造用部材に広く適用することができることから、アルミニウム合金や、マグネシウム合金、チタン合金などを用いることができ、これらのうち、取り扱いが容易で鋳造性に優れる点から、アルミニウム合金を用いることが好ましいが、これら金属に限定される訳ではなく、用途によっては銅合金や、亜鉛合金などを用いることができることは言うまでもない。
【００２６】
得られた繊維強化金属基複合材１に占める短繊維１２の含有量としては、体積比で２〜３０％程度となるように、短繊維量及び溶湯量を調整することが望ましく、この範囲内において、要求性能と、歩留まり、コストのバランスから選択すれことができる。
すなわち、短繊維１２の量が２％に満たないと、強化繊維としての効果が小さく、３０％を超えると、材料コストが高くなるばかりではなく、発泡樹脂粒子１０への短繊維１２の固着歩留まりが低下し、均一に固着させることが困難となることがある。
【実施例】
【００２７】
以下、本発明を実施例及び比較例に基づいて、さらに詳述するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、当該実施例において、「％」は、特記しない限り、質量百分率を表すものとする。
【００２８】
（実施例）
約１．２ｍｍの粒径を有する発泡スチロール粒子の表面に、粒径１０μｍのニッケル微粒子を流動層内で吹き付けることによって付着させ、厚さが約０．１ｍｍの金属薄膜を形成した。
次に、図２に示した装置を用いて、表面に金属薄膜を形成した上記発泡スチロール粒子と、直径約９μｍ、平均長さ１５０μｍの炭素繊維をアルゴン気流にのせてロータが回転する容器中で循環させ、衝撃力を作用させて金属薄膜上に炭素繊維を機械的に固着させて一体化した。
【００２９】
このとき、投入した炭素繊維の比率は、ニッケル被覆スチロール粒子に対して２０％とした。得られた発泡スチロール粒子と金属薄膜及び炭素短繊維の一体化粉体は、炭素短繊維がニッケル薄膜の上にランダムに固着していることが確認された。
そして、この一体化粉体を金型に充填し、真空中で７００℃に加熱することによって、スチロール樹脂を消失させると同時に、樹脂が消失して殻状と成った粉体同士を軽く結合させて、成形体とした。
【００３０】
この成形体が収納された鋳造用金型に、ＡＣ８Ａ合金を注湯しそのまま冷却・凝固させ、本例の繊維強化金属基複合材を得た。
得られた複合材は炭素短繊維がほぼ元の発泡スチロール粒子の外殻に沿って分布していることが確認された。
【００３１】
（比較例）
水を溶媒とし、上記炭素短繊維を無機バインダーであるコロイダルシリカと共に分散させ、吸引ろ過し、加圧して乾燥、焼成することによって炭素繊維から成るプリフォームを得た。  当該プリフォームにおいては、炭素繊維は３次元ランダム状に配向することなく、ろ過、加圧方向に対しほぼ２次元的に配向していることを確認した。
【００３２】
そして、このプリフォームを使い、加圧鋳造法によって、Ａ１０５０合金をマトリックスとして複合化し、本例の繊維強化金属基複合材を得た。当該複合材の複合化部においても炭素短繊維は２次元的に配向していた。
【００３３】
（性能評価）
上記実施例及び比較例により得られた各繊維強化金属基複合材の複合化部からそれぞれ試料を切り出し、レーザフラッシュ法により熱伝導率を評価した。
【００３４】
その結果、上記実施例の複合材から採取された試料では、注湯方向、及びその直角方向いずれについても熱伝導率の差はなく、優れた等方性を備えていることが確認された。
これに対し、比較例の複合材から採取された試料においては、ろ過・加圧方向の熱伝導率の値は、その直角方向に比べおよそ１５％低いものであった。
【００３５】
これらの結果から、発泡樹脂粒子に金属薄膜を被覆し、その上に短繊維を機械的に固着させた状態の粒子を原材料とすることによって、バインダーを使用することなく、鋳造法によって等方性の繊維強化金属基複合材料を得られることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は本発明の繊維強化金属基複合材の製造方法を説明する工程図である。
【図２】金属薄膜を被覆した発泡樹脂粒子と短繊維とを機械的の固着させるのに用いられる装置の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  繊維強化金属基複合材
１０  発泡樹脂粒子
１１  金属薄膜
１２  短繊維
【図１】
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【図２】
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